Manovra Navale - Istituto d`Istruzione Superiore "M. Ciliberto – A

A. Vega – Manovra navale
9. Il timone.
9.1 – Generalità.
Il timone è l’organo di governo della nave, ovvero serve a guidarla nella direzione prescelta
e per evitare gli ostacoli che si presentano sul suo percorso, da esso non si può prescindere quando
si considera la manovrabilità della nave, ovvero la sua capacità di evoluire in spazi più o meno
ristretti. Come vedremo il timone può avere diverse forme e caratteristiche. Solitamente è installato
a poppa della carena dell’imbarcazione. L’uso del timone ha per effetto una evoluzione della nave e
cioè una variazione nella sua direzione di avanzamento.
Per studiare comprendere l’effetto che esso produce lo si può assimilare ad una piastra
verticale incardinata sul dritto di poppa e facilmente inclinabile rispetto al piano diametrale della
nave.
L’operazione di inclinare il timone in gergo marinaresco è detta mettere alla banda il timone e da questa possibilità, come detto, discende la capacità di governare la nave.
Il timone è collegato a dispositivi ed apparecchiature che consentono di farlo ruotare di angoli più o
meno ampi attorno ad un asse verticale che si definisce asse di rotazione del timone.
Inclinando il timone di una nave che avanza o retrocede, si provoca il passaggio di questa da un
regime di moto traslatorio ad un regime di moto curvilineo che è detto evolutorio o evolutivo.
L’azione del timone provoca una accostata della nave; in particolare, si dice che la nave
accosta a dritta oppure a sinistra a seconda che la rotazione impressale dal timone determini uno
spostamento angolare della sua prora verso il lato dritto oppure verso il lato sinistro.
Il timone, grazie ai dispositivi cui abbiamo accennato e dei quali ci occuperemo in seguito, può
essere manovrato a distanza e senza alcuna difficoltà.
La manovra del timone si esegue ponte di comando (Navigation Bridge) mediante una
ruota di governo o ruota del timone o ruota a caviglie o altri dispositivi la cui rotazione in senso
orario o in senso antiorario produce rispettivamente una rotazione del timone in senso antiorario o
in senso orario; in pratica se il timone si sposta formando un angolo R a dritta del piano
longitudinale di simmetria della nave ( che coincide con la posizione di riposo del timone – timone
in mezzo ndr ) la nave accosterà dallo stesso lato, stessa cosa se il timone verrà fatto inclinare a
formare un angolo R a sinistra del piano longitudinale di simmetria della nave
9.2 – I tipi di timone.
Esistono diverse tipologie di timone che
evidenziano caratteristiche costruttive e
prestazionali assai differenti, ma comunque in
linea con le necessità dell’imbarcazione cui è
accoppiato.
In linea generale le parti principali di un
timone sono la pala e la sua posizione rispetto
all’asse di rotazione dello stesso.
Della pala è importante la superficie che
poi rappresenta la parte attiva dello stesso
interagendo con il flusso d’acqua e deviandolo
come vedremo inseguito.
La parte superiore del timone detta testa penetra all’interno dello scafo attraverso la losca,
per poi arrivare fino a collegarsi attraverso la barra ai meccanismi che servono a farlo muovere.
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A. Vega – Manovra navale
Nella figura a fianco è mostrato un timone di
tipo compensato sospeso, ovvero collegato allo scafo
solo superiormente. La parte superiore è direttamente
collegata ai macchinari che servono per farlo ruotare
intorno all’asse di rotazione. Una tale sistemazione non
impedisce che sul timone possano agire anche momenti
flettenti che comportano sforzi aggiuntivi alla
complesso della struttura e macchinari collegati.
A volte, così come mostrato sotto ed in altre
immagini, si fa poggiare il timone sul calcagnolo C
mediante un perno semisferico Fc detto anche
femminella a gotto, che serve sia a scaricare il peso del
timone rinforzando la struttura nel suo complesso sia a
ridurre gli sforzi aggiuntivi.
L’esperienza ha evidentemente portato
all’ideazione di nuove soluzioni e nuovi tipi
di timoni che hanno aumentato l’efficacia
alle basse velocità e, quindi, durante le
manovre di accosto o di allontanamento
dalla banchina. Nella figura sono mostrati
altri tipi di timoni; partendo da sinistra in
alto è mostrato un timone semicompensato
sospeso fissato allo scafo mediante una
pinna di sostegno.
In basso a questo è riportato un timone
articolato accoppiato ad un’elica a
mantello. Procedendo in senso antiorario è
mostrato un timone compensato sospeso.
Al di sopra di questo è invece mostrato un
timone articolato. A quest’ultima tipologia
appartiene anche il timone Beker un timone
compensato dotato di un flap all’estremità
finale della pala.
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A. Vega – Manovra navale
Ciò provoca una decisa deviazione del flusso della
corrente respinta dall’elica con un considerevole
aumento della capacità evolutiva della nave.
9.3 – Principio di funzionamento del timone.
Il timone funziona grazie alla pressione che i filetti fluidi esercitano sulla superficie della
pala. La pressione esercitata dall’acqua viene indicata con Pn e se ne può misurare il valore
espresso in Newton N mediante la relazione approssimata:
Pn = KSV2
dove :
- S = superficie della pala del timone in m2
- V = velocità della nave in nodi
- K è invece un coefficiente che tiene conto dell’angolo di inclinazione del timone R e di altri
fattori legati alla forma della carena della nave ed alla tipologia di timone.
Appare evidente che un elemento determinante è la velocità V il valore può variare
facilmente durante l’esercizio della nave e , soprattutto, in manovra esiste perciò un valore minimo
della velocità della nave al di sotto della quale questa non obbedisce ai comandi e quindi il timone
risulta inefficace; tale velocità è detta Velocità di non governo e di solito si attesta al di sotto dei
22,5 nodi. Sulla determinazione del valore di K esistono diversi metodi di calcolo, per esempio
una relazione è la seguente:
51,9 sin  R
K
0,2  0,3 sin  R
Per il R.I.Na invece l’espressione che fornisce il valore di Pn = 9,81Co(VAV +3)2 con Co
pari a 8,75 per timoni posti subito dietro l’elica e Co invece pari a 7,35 per timoni sospesi o nel
caso di un unico timone tra due eliche.
Le diverse considerazioni sul valore da assegnare al coefficiente K dipendono dal fatto che
in funzione dell’angolo di inclinazione R varia la posizione in cui agisce la pressione Pn; esiste
inoltre una diversa efficacia del funzionamento del timone se la nave procede a marcia indietro
poiché in questo caso la corrente dei filetti fluidi che investono la pala attiva del timone non viene
ad essere disturbata dalla presenza della carena della nave che invece influenza molto il flusso
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A. Vega – Manovra navale
dell’acqua. Ancora, come nel caso di Co la posizione del timone subito dietro l’elica porta a
considerare degli effetti aggiuntivi dovuti alla corrente respinta dall’elica che verranno descritti nel
seguito, così come se il timone è di tipo sospeso l’interazione tra corrente respinta dall’elica e flusso
dei filetti fluidi ha una diversa influenza sul valore di Pn.
In ogni caso l’azione del timone alla banda non si limita al solo fenomeno di rotazione
della nave intorno ad un asse verticale ma se ne possono osservare altri. La figura sottostante può
aiutare a comprendere quanto si sta per illustrare.
Come si può ben vedere il timone alla banda genera la nascita di una serie di forze che
generano delle coppie i cui momenti provocano la rotazione, uno sbandamento iniziale della nave,
uno spostamento laterale, un appruamento ed una diminuzione di velocità.
Tutto ciò è appunto spiegabile considerando le varie coppie che nascono. La rotazione per
esempio è generata dalla coppia formata dalla pressione Pn che agisce in O e dal vettore omologo
P’n che invece agisce in G ed il cui braccio è rappresentato dal segmento tratteggiato GH . La
componente
longitudinale Pl è invece responsabile della diminuzione di velocità e
dell’appruamento cui la nave è soggetta sotto l’azione del sistema di forze generate dal timone alla
banda. Lo spostamento laterale è invece dovuto alla componente trasversale di P”n.
Lo sbandamento di saluto è invece provocato dal fatto che il baricentro G della nave e del
centro di pressione C del timone si trovano ad altezze diverse.
Inoltre se consideriamo la componente
trasversale di Pn = Pncos  si vede chiaramente che
essa agisce a livelli diversi ed in senso opposto
generando appunto lo sbandamento della nave.
Come si vedrà meglio nel seguito, però, questa
situazione è transitoria, soprattutto se la nave evoluisce
per descrivere un’ampia curva durante una manovra di
accostata. Entrano in gioco infatti altre forze, le
resistenze al moto della nave che, proprio durante le
accostate, in considerazione del fatto che si modifica la
geometria del volume di carena della nave si vengono a
creare equilibri diversi del sistema di forze generate.
9.4 – Dispositivi per la manovra del timone.
La manovra del timone presuppone che a
bordo della nave vengano installati dei dispositivi
che siano in grado di consentire di muovere il
timone dal ponte di comando. Partendo proprio
dal ponte di comando da dove si imposta l’angolo
di inclinazione necessario a far eseguire alla nave
la manovra desiderata, si trova la ruota del
timone o un volantino o, sulle navi più recenti un
joystick.
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A. Vega – Manovra navale
Proprio da questa posizione si diparte poi il collegamento con il telemotore o macchina del
timone che termina poi con l’agghiaccio del timone, macchinario che si trova proprio sulla testa
dell’asse del timone e che è preposto al suo movimento.
L’aumento delle dimensioni delle
navi ha posto i progettisti di fronte a
problemi che in precedenza erano risolti
con dispositivi di semplice realizzazione
come gli agghiacci flessibili adoperati
ancora su qualche unità a vela o piccole
unità a motore. La rotazione della ruota
del timone fa muovere il frenello che
scorre
su
apposite
pulegge
ed
avvolgendosi su di un cilindro provocando
così il movimento della barra del timone.
Una tipica sistemazione del
timone è stato rappresentato per molto
tempo dall’ agghiaccio rigido a doppia
vite dove la rotazione di una vite senza
fine provocava il movimento del
sistema di biellismo che provocano la
rotazione del timone e consentono di
mantenerlo inclinato per tutto il tempo
necessario ad eseguire la manovra.
A questa tipologia appartiene anche l’agghiaccio Harfield mostrato nella figura sottostante
era molto diffuso sulle navi propulsione meccanica del secolo scorso perché necessitava di
servomotori di potenza non molto elevata grazie all’uso di ingranaggi di demoltiplica.
Sulle navi attuali son invece molto
diffusi gli agghiacci idraulici collegati
direttamente alla testa del timone. Questi sono
caratterizzati da peso ridotto, elevato
rendimento meccanico e maggiore possibilità di
controllo remoto. Al loro interno hanno delle
pale radiali rotanti (palmole) il cui
funzionamento è provocato da olio in pressione
che viene pompato all’interno della cassa
cilindrica mediante una serie di pompe che
vanno a costituire il servomotore.
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A. Vega – Manovra navale
10. – Manovrabilità di una nave.
10.1. – Generalità.
La manovrabilità è una delle qualità nautiche della nave, con essa si indica il comportamento
della stessa sotto l’azione del timone.
Due importanti aspetti della manovrabilità sono la prontezza di risposta al timone, che
indica la facilità con cui la nave cambia rotta quando si mette il timone alla banda e l’abilità
evolutiva, cioè la capacità di evoluire in spazi ristretti.
Con il timone in mezzo, invece la nave deve presentare una buona stabilità di rotta,
proprietà che indica la tendenza della nave a seguire una rotta rettilinea. Teoricamente la nave
potrebbe avere anche una stabilità direzionale e una stabilità di percorso, come è mostrato in figura
con alcuni esempi.
La manovrabilità è funzione di vari parametri che si possono così raggruppare:
A PARAMETRI CHE RIGUARDANO LA NAVE
-
forma della carena e sue eventuali asimmetrie
rapporto tra l’area del piano di deriva AD e l’area della superficie del timone AR
le caratteristiche del propulsore
la velocità della nave
l’angolo di inclinazione del timone r
la condizione di carico della nave
l’assetto
B PARAMETRI CHE RIGUARDANO L’AMBIENTE METEOMARINO
-
direzione ed intensità del vento
direzione ed intensità del vento e della corrente
stato del mare
profondità e larghezza della zona di mare in cui si opera
Studiare la manovrabilità della nave significa trovare dei grafici o degli indici che diano
informazioni qualitative o quantitative sulle prestazioni della nave.
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Ricordiamo qui che un indice è generalmente un numero il cui valore assoluto esprime una
certa proprietà. La ricerca degli indici numerici si effettua con metodi:
-
teorici;
sperimentali;
teorico/sperimentali.
Questi ultimi sono basati su esperimenti e simulazioni fatte utilizzando il modello in scala
della nave all’interno di una vasca navale.
La ricerca degli indici si può effettuare facendo compiere alla nave delle prove con manovre
standard.
Esiste una sostanziale differenza tra il termine manovra ed il termine prova:
-
una manovra può esser effettuata anche dal Comandante durante l’esercizio della nave;
la prova consiste invece nell’insieme delle operazioni che consentono di trovare i grafici
ed i dati caratteristici della manovra.
Le prove sono effettuate dal cantiere che ha costruito la nave con l’aiuto di istituti
specializzati in materia, prima che la nave entri in servizio.
Quando si parla di studi sulla manovrabilità ci si riferisce ad una terna di assi cartesiani con
origine nel baricentro della nave:
- l’asse X coincidente con l’asse longitudinale di simmetria,
- l’asse Y coincidente con l’asse trasversale
- l’asse Z coincidente con l’asse verticale della nave.
Le forze che agiscono sulla nave si possono così sintetizzare:
-
azioni idrodinamiche sulla carena,
spinta ed effetti evolutivi prodotti dall’elica,
azioni dovuti al timone,
disturbi.
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A. Vega – Manovra navale
Sottoposta a queste forze la nave è soggetta a sei tipi di moto:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
AVANZAMENTO o RETROMARCIA ……………. lungo l’asse X
DERIVA o SCARROCCIO ………………………… lungo l’asse Y
SUSSULTO …………………………………………. lungo l’asse Z
ROLLIO …………………………………………….. intorno all’asse X
BECCHEGGIO …………………………………….. intorno all’asse Y
ACCOSTATA ………………………………………. Intorno all’asse Z
10.2 – Le manovre standard.
Lo scopo delle manovre standard è di determinare degli indicatori numerici (indici o
coefficienti) necessari a descrivere le capacità evolutive della nave. Esse vengono eseguite allo
stesso modo per tutte le navi in maniera tale da poter utilizzare i risultati ottenuti per una nave con
le prestazioni di altre navi. Le manovre standard sono .
-
la curva di evoluzione
la manovra di Dieudonné
la manovra a zeta o a zig-zag
-
la manovra pull-out e weawe
la manovra di Williamnson
l’arresto della nave
Durante l’esecuzione delle prove si provvede al monitoraggio delle stesse mediante l’uso di
una stazione fissa a terra o in mare o in entrambi i modi. Lo studio e lo sviluppo dei grafici avviene
successivamente.
Nel governo della nave ci si trova di fronte a tre problemi:
-
mantenere la nave sulla rotta stabilita
poter variare rapidamente la rotta e impegnare poca acqua nell’accostata
arrestare la nave in poco spazio e in brevissimo tempo in situazioni di emergenza.
Nel risolvere questi problemi entrano in gioco diverse variabili ( capacità del timoniere,
condizioni meteo marine, condizioni e assetto della nave ), ma anche le caratteristiche di governo
della nave che si ricavano proprio attraverso le manovre standard di cui sopra.
10.3 – La curva di evoluzione.
Serve
a
determinare
il
comportamento della nave sotto l’azione
costante
del
timone.
Si
effettua
mantenendo il timone inclinato di un certo
angolo r .
La manovra ha lo scopo di
determinare i tempi e gli spazi necessari
alla nave per compiere un’accostata
durante il suo regolare esercizio.
La manovra si effettua portando la
nave su di una rotta stabilizzata a velocità
costante ( moto rettilineo uniforme ) ad un
certo punto si inclina il timone di un angolo
prefissato r e, con opportuni strumenti, si
rileva il moto della nave successivamente
all’inclinazione del timone.
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A. Vega – Manovra navale
I dati così ottenuti vengono
rappresentati in un grafico – simile a quello
mostrato in figura – da cui si estrapolano
indici geometrici e di tempo.
Gli indicatori geometrici sono:
-
A detto avanzo per 90°
T detto trasferimento per 90°
D detto diametro di girazione
DT detto diametro tattico
La nave esegue la manovra di evoluzione in
tre fasi:
 PRIMA FASE o fase di MANOVRA
Dura il tempo necessario a portare il timone alla banda dell’angolo r . Durante questa
fase, a causa della sua grande inerzia, la nave non riesce ad accostare, pertanto si ha una leggera
deriva dalla parte opposta del timone mentre la nave, a causa delle diverse forze che agiscono sulla
carena, si inclina dallo stesso lato in cui è inclinato il timone effettuando il cosiddetto inchino di
saluto.
 SECONDA FASE o fase di EVOLUZIONE
Inizia quando il momento evolutivo vince l’inerzia della nave e questa comincia ad accostare
seguendo una traiettoria il cui raggio di curvatura diminuisce gradualmente con l’aumento della
velocità angolare. Da notare che in questa fase la nave avanza accostando e mantenendo la prua
all’interno della traiettoria descritta dal centro di gravità G ; ciò accade perché l’asimmetrica
distribuzione delle masse del volume della carena provocano la rotazione intorno ad un punto C –
posto a proravia del baricentro G – detto appunto centro di girazione C. Usualmente il punto di
girazione C si trova a circa un quarto della lunghezza della nave da prua.
Durante la seconda fase la nave sbanda decisamente dal lato opposto a quello in cui è inclinato il
timone di un angolo che va dai 6° ai 9°; contemporaneamente si rileva una diminuzione della
velocità della nave pari a circa il 10 15 % del valore iniziale.
 TERZA FASE o di GIRAZIONE
In questa fase la nave si muove di moto circolare descrivendo la circonferenza il cui
diametro coincide con il diametro di girazione D la cui lunghezza è mediamente pari a 3  5 volte
la lunghezza dello scafo.
La velocità lineare in questo caso risulta mediamente diminuita del 30  40 %.
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A. Vega – Manovra navale
10.4 – La manovra di Dieudonné.
Questa manovra è utile per determinare il rango di instabilità al timone della nave ed offre il
vantaggio di non richiedere il tracciamento del suo percorso.
La manovra di Dieudonné viene
eseguita contestualmente alla curva di
evoluzione.
Mentre la nave procede su di una rotta
rettilinea stabilizzata si mette il timone alla
banda di 35° a dritta. Quando la nave avrà
raggiunto la condizione di moto circolare
uniforme si misura la sua velocità angolare
 , successivamente si diminuisce l’angolo di

barra di 5° alla volta avendo cura di misurare
 ogni qualvolta il
la nuova velocità angolare 
moto della nave risulta stabilizzato.
Questa operazione va continuata fino a quando
l’angolo di barra raggiunge il valore r = 35° a
sinistra. A questo punto l’operazione si ripete
fino a riportare il timone ad un angolo r = 35°
a dritta.
I dati ottenuti durante la prova vengono quindi raccolti in forma grafica. Nelle figure è
riportato un esempio di nave stabile al timone ( figura sopra) – ovvero di una nave che reagisce alla
variazione dell’angolo di barra r e che quindi con angolo di timone nullo ( r = 0° ) avrà anche
 = 0 ) – e di una nave instabile al timone ( figura in basso) – ovvero una
velocità angolare nulla ( 
nave che non reagisce prontamente alle variazioni dell’angolo di barra r .
Il rango di instabilità è rappresentato dall’area racchiusa nel parallelogramma e mostra
come la nave possa avere un comportamento diverso alla variazione dell’angolo r asseconda del
senso di rotazione che possiede al momento in cui la variazione si registra.
In particolare per una nave instabile al timone si avrà che la velocità angolare non risulterà

nulla   0 anche con il timone in mezzo r = 0° ma, piuttosto, il suo comportamento sarà
influenzato dalle manovre precedentemente eseguite.
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A. Vega – Manovra navale
10.5 – La manovra pull-out.
La manovra è usata per determinare la stabilità direzionale di una nave. Il timone è inclinato
di un angolo predeterminato e, quando la nave si trova in condizioni di moto circolare stabilizzato,
si riporta il timone in mezzo e si rileva la variazione della velocità angolare.
Se la nave ha stabilità direzionale la sua velocità angolare si riduce a zero e la nave acquista
in breve tempo un moto rettilineo. Se invece la nave è instabile rimane un minimo di velocità
angolare che continuerà a far accostare la nave per un certo intervallo di tempo dopo aver riportato
il timone in mezzo.
La manovra pull-out può essere opportunamente rappresentata graficamente al termine di
ciascuna prova effettuata per i diversi angoli di timone. I grafici solitamente evidenziano per una
nave stabile una diminuzione progressiva della velocità angolare ( transitorio ) prima che il moto
ridiventi rettilineo.
Questa situazione è rappresentata in figura dalla curva a tratto pieno. Nel caso di una nave
che non possiede stabilità direzionale si osserva un allungamento dei tempi per la diminuzione della
velocità angolare e un lento ritorno al moto rettilineo.
Tale situazione è rappresentata nel grafico dalla curva tratteggiata.
10.6 - La manovra a Z o a zig – zag .
La manovra a zeta ha lo scopo di valutare il comportamento della nave quando il timone
interviene a correggere una manovra già in atto.
Si esegue facendo acquistare alla nave un moto stabilizzato su di una rotta rettilinea e
inclinando quindi il timone a sinistra di 20°. Si mantiene questo angolo di barra fino a quando la
nave avrà accostato a sinistra di 20°, quindi si porta il timone a 20° a dritta e si mantiene in questa
posizione fino a quando la nave avrà accostato di 20° a dritta rispetto al valore della rotta iniziale.
A questo punto si riporta nuovamente il timone a 20° a sinistra e si ripete il ciclo facendo
successivamente accostare la nave nuovamente a dritta come prima descritto.
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A. Vega – Manovra navale
Dopo l’esecuzione della manovra si costruisce un diagramma come quello mostrato in
figura nel quale sono mostrati:
-
la variazione dell’angolo di timone r al variare del tempo;
 ;
la variabilità delle accostate con il tempo 
gli spostamenti laterali Y.
Sull’asse dei tempi il tratto OA rappresenta il tempo necessario a portare il timone 20° a
sinistra. Il tratto OB rappresenta invece il tempo necessario alla nave per accostare di 20° a sinistra.
Si noti come nell’istante C in cui il timone è in mezzo ( r = 0° ) la nave per inerzia continua ad
accostare a sinistra. Dal grafico può inoltre estrapolarsi una serie di informazioni:
-
il tempo necessario per accostare di 20° può rappresentare un indice della rapidità di
risposta al timone;
il tempo necessario ad eseguire l’intera manovra;
lo spostamento laterale massimo Ymax ;
l’angolo ed il tempo di overshoot, ovvero una misurazione di quanto la nave non
risponda al timone quando si corregge una manovra già impostata.
Tali parametri indicano sufficientemente l’abilità evolutiva della nave e la rapidità di una
contromanovra, essi sono particolarmente importanti per la progettazione della nave.
La necessità di conoscere i parametri dell’overshoot è lo scopo principale per il quale si
esegue la manovra a zeta. Solitamente per velocità della nave comprese tra 8  16 nodi si osservano
angoli di overshoot di 5°,5  8°,5. I tempi sono direttamente dipendenti dalla velocità della nave
all’inizio della manovra.
10.7 – Le manovre di emergenza.
Le manovre di emergenza sono dettate dall’esigenza di evitare e/o fronteggiare una
situazione di pericolo. Come i risultati delle manovre standard, sono contenute e descritte nel
Libretto di manovra che viene fornito dal cantiere navale che ha costruito la nave.
Generalmente si annoverano due tipi di manovra d’emergenza:
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A. Vega – Manovra navale
-
fermare la nave;
la manovra di Williamnson ( o dell’uomo in mare ).
Cominciamo con il descrivere i diversi metodi utilizzati per arrestare la nave:
-
arresto forzato (crash-stop)
arresto libero
arresto IMO
arresto con serpeggiamento.
La manovra di arresto forzato consiste nel fermare le macchine e, nei limiti del possibile,
metterle subito a marcia indietro con l’evidente scopo di realizzare un’inversione di spinta.
La prova di arresto forzato si effettua con il timone in mezzo e fa parte delle prove in mare
cui viene sottoposta la nave dopo il varo e prima della consegna per la sua entrata in servizio. I
parametri che vanno ad influenzare il comportamento della nave sono diversi; si parte dalla velocità
che la nave ha ad inizio manovra, dalle condizioni meteo marine ( direzione e velocità del vento,
moto ondoso, profondità del mare, condizioni di carico e di assetto della nave), dal tipo di elica di
cui la nave è dotata. Come sintetizzato nella tabella sottostante, navi di diverse dimensioni e
dotate o meno di eliche reversibili evidenziano comportamenti assai differenti.
Nave
Zim Genova
Petroliera VLCC
N/t Domiziana
D
23.182 T
260.000 T
9.146 T
Vi
23 Kn
16 Kn
21 Kn
T arresto
487s
1050s
127s
Spazio di arresto
3,80 nm
2,75 nm
0,35 nm
Si può notare come nel caso della prima nave – una portacontainer monoelica – i tempi di
arresto Ti siano condizionati dalla velocità iniziale Vi e dal dislocamento D, con la necessità di uno
spazio d’arresto di poco meno di 4 miglia . Nel secondo caso le notevoli dimensioni di una super
petroliera portano a dilatare notevolmente più i tempi che gli spazi di arresto.
La situazione appare molto meglio gestibile nel caso di una nave che dispone di eliche a
passo variabile come il traghetto Domiziana della Tirrenia di navigazione, in questo caso gli spazi
ed i tempi di arresto risultano notevolmente ridotti rispetti agli altri due esempi citati.
L’arresto libero si ottiene
fermando le macchine e mantenendo
il timone in mezzo attendendo che la
nave esaurisca il proprio moto per
abbrivio. La nave percorre una
traiettoria
chiamata
curva
di
decelerazione e si arresta percorrendo
uno spazio pari a circa il doppio
rispetto
a
quello
necessario
nell’arresto forzato.
Nell’arresto per serpeggiamento
invece si fermano le macchine e si
muove alternativamente il timone a
dritta ed a sinistra allo scopo di
disperdere l’energia cinetica della
nave. Questa manovra può risultare
utile quando non si ha sufficiente
spazio per accostare.
L’ arresto IMO consiste nel fermare le macchine e, contemporaneamente, mettere il
timone alla banda. L’abbrivio sarà smorzato dalla resistenza offerta dal timone e dal moto di deriva
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A. Vega – Manovra navale
della nave, mentre l’accostata riduce considerevolmente l’avanzo. Si noti come al diminuire della
velocità iniziale gli spazi di arresto si dilatino leggermente a causa della diminuzione dell’efficacia
dell’azione del timone con le basse velocità. Questa manovra è indicata nel caso si debba evitare
un pericolo improvviso e si abbia spazio sufficiente per accostare.
10.8 – La manovra di Williamnson (uomo in mare).
La manovra di Williamnson si effettua per recuperare un uomo caduto in mare. La manovra
si effettua facendo accostare la nave dallo stesso lato dal quale è caduto il naufrago allo scopo di
allontanare le eliche dall’uomo in mare; si porta il timone tutto alla banda e, quando la nave ha
accostato di circa 60° si scontra il timone portandolo tutto alla banda dal lato opposto a quello
iniziale. La nave per inerzia continuerà ad accostare fino a circa 80° dalla rotta iniziale, quindi
inizierà ad evoluire portandosi su di una rotta opposta a quella iniziale.
Nella figura ( tratta da un manuale IMO) è ben
descritto quanto sopra.
Tuttavia, bisogna
ricordare che le condizioni meteo marine
influiscono notevolmente sull’efficacia e sulla
durata della manovra.
Un aspetto non secondario è che per procedere poi al recupero del naufrago l’imbarcazione
dovrà avvicinarsi di sopravvento in maniera da procurare un riparo alla persona in acqua.
Nelle figure è mostrato quanto ora detto.
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A. Vega – Manovra navale
11. Gli effetti evolutivi dell’elica.
11.1 – Gli effetti evolutivi dell’elica.
Quando un’elica ruota immersa nell’acqua oltre a fornire alla nave la spinta necessaria per il
suo moto, produce una forza laterale applicata alla poppa che ha effetti evolutivi di cui bisogna
tener conto nelle manovre.
L’effetto di queste forze può risultare determinante per l’esecuzione di una manovra, in altri
contesti può ingenerare effetti indesiderati.
Descriveremo di seguito le cause comuni che generano questa forza laterale.
11.2 – Scia dell’elica e fattore di scia.
Un’elica accoppiata alla nave risente
della presenza della carena davanti ad essa.
Come già noto, a causa della resistenza al
moto la nave trascina con sé una certa
quantità di acqua (strato limite), per tale
ragione la velocità dell’acqua rispetto
all’elica è diversa dal mozzo verso il bordo
esterno delle pale.
Questo provoca una diversa spinta su tutto il giro dell’elica, inoltre alle diverse profondità,
cambiando la forma della carena la velocità aumenta come schematicamente mostrato in figura.
Il campo della velocità dell’acqua, infatti è
crescente dalla superficie verso il fondo, ciò è in
parte dovuto al fatto che i filetti fluidi che
rappresentano il moto dell’acqua rispetto alla
carena della nave risultano meno disturbati dalla
presenza della stessa.
Questa
rappresentazione
della
velocità
dell’acqua rispetto alla carena torna utile anche
nella descrizione del fenomeno dello squat, che
si ha quando la nave si trova a navigare sui bassi
fondali o, come si suol dire, in acque limitate.
11.3 - Corrente respinta dall’elica.
Nel suo movimento di rotazione l'elica aspira acqua da una parte e la respinge dall'altra
perciò si viene a creare una corrente respinta di senso contrario al moto della nave. Tale corrente
può essere considerata composta da due parti, una aspirata e una respinta; la corrente aspirata ha un
moto pressoché rettilineo e parallelo alla chiglia mentre la corrente respinta, partecipando al moto
rotatorio dell'elica, ha una moto vorticoso la cui risultante è obliqua rispetto all'asse dell'elica. La
corrente respinta, inoltre, va ad esercitare una pressione sia sul timone sia sulla parte poppiera dello
scafo, tale pressione produce una forza laterale.
Considerando inoltre che la densità dell'acqua aumenta con l'aumentare della profondità si
avrà che nella parte bassa e, più ancora nel suo moto discendente, l'elica produce una pressione
maggiore che non nel suo moto ascendente. Infine, notevole importanza assume la forma dello
scafo nella parte poppiera prossima all'elica. La corrente respinta per un’elica destrorsa colpisce il
timone a sinistra in alto e a dritta in basso.
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A. Vega – Manovra navale
Le due forze non sono uguali risultando
maggiore quella di dritta; si avrà pertanto:
FD > FS
Nel caso di un’elica sinistrorsa si avrà
che la corrente respinta dall’elica colpirà il
timone in basso a sinistra e a dritta in alto. In
questo caso sarà quella di sinistra a prevalere e,
pertanto, si avrà:
FD < FS
11.4 – Inclinazione del flusso d’acqua rispetto all’asse dell’elica.
A causa delle forme della poppa il flusso dell’acqua risulta convergente verso il piano
diametrale e, contemporaneamente, diretto verso l’alto.
Per questa ragione quando una pala si muove verso il basso incontra acqua che ha un movimento
verso l’alto, ciò comporta un aumento della velocità relativa e un conseguente incremento della
spinta, poiché la pala si trova a lavorare controcorrente.
Sull’altro lato, invece, si ha una
situazione opposta in quanto la pala si trova
a lavorare in favore di corrente
accompagnata nel suo movimento dal flusso
dell’acqua diretta verso l’alto.
11.5 – Poco battente idrostatico e risucchio d’aria.
Se una nave è scarica può verificarsi che
le pale dell’elica nella loro posizione superiore
possono uscire parzialmente dall’acqua, oppure
trovarsi molto vicine alla superficie.
Nel primo caso si ha una diminuzione
della spinta nella pala superiore rispetto alla
pala che si trova ad agire nella parte bassa. Per
questo motivo la forza laterale totale ( cioè
dovuta a tutte le pale ) è tale da portare la poppa
a dritta per elica destrorsa a marcia avanti, con
conseguente accostata della prua a sinistra.
Man mano che la nave da ferma acquista velocità, fino a raggiungere quella normale, il
risucchio di aria diminuisce ed anche il fenomeno si attenua.
Volendo ora riassumere i quattro effetti sopra descritti per un’elica destrorsa in marcia
avanti si avrà :
ELICA DESTRORSA
Effetto
Scia della nave
Corrente respinta
Inclinazione flusso
Poco battente
Accostata
Poppa
Prua
SX
DX
DX
SX
DX
SX
DX
SX
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A. Vega – Manovra navale
Il comportamento della nave dipenderà dalla grandezza relativa delle forze e dalla velocità
della nave stessa.
Solitamente l’esperienza mostra che una nave monoelica con elica destrorsa tende ad
accostare a sinistra. Ovviamente quando l’elica funziona a marcia indietro gli effetti evolutivi
cambiano completamente perché l’elica non è più disturbata dalla presenza della carena.
Intervengono però altri fattori, come la corrente respinta dall’elica che fa sentire il suo
effetto sul timone portando la poppa verso sinistra e la prua a dritta.
11.6 – Governo di una nave monoelica.
Abbiamo visto che il funzionamento
dell’elica da origine a una forza laterale, più
o meno grande, che dovrà essere considerata
unitamente alla spinta che l’elica fornisce
alla nave ed alla forza generata dal timone
alla banda, per ricavare il comportamento
della nave nelle varie ipotesi di moto
realizzabili in pratica.
Esiste una regola pratica secondo la
quale, assimilando l’elica ad una ruota che
rotoli su una superficie piana, si avrà lo
spostamento della poppa nello stesso verso
della sua rotazione.
In altre parole, è come se le pale
girassero toccando il fondo.
Il comportamento della nave varia asseconda che l’elica sia in marcia avanti o in marcia
indietro e se il timone si trova in mezzo o alla banda.
In tutti questi casi si potrà assistere a variazioni dell’efficacia del timone, per esempio in
alcune circostanze per l’elica destrorsa l’accostata a sinistra risulta più rapida di quella a dritta,
oppure in marcia indietro può accadere che l’effetto evolutivo dell’elica risulti maggiore di quello
del timone. La conoscenza di questi effetti può risultare utile durante le manovre in porto per
accostarsi alla banchina o per allontanarsene.
Nelle navi bielica gli effetti evolutivi ora studiati
sono assai ridotti perché comunemente le eliche
accoppiate sono controrotanti e, pertanto,
annullano gli effetti evolutivi delle singole eliche.
Questo è enfatizzato se le eliche sono entrambe a
passo variabile, come accade su navi traghetto o
su alcune unità militari.
Una ulteriore fonte di effetti evolutivi – o
indesiderati – si ha quando la nave si trova a
navigare in acque limitate, cioè all’interno di
canali o di stretti, in acque poco profonde o in
zone dragate.
11.7 – L’effetto squat.
L’effetto squat è un fenomeno idrodinamico che interessa una nave che si muove in acque
limitate ( su di un basso fondo, in un canale, ecc ) o che aumenta repentinamente la sua velocità.
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A. Vega – Manovra navale
La navigazione in acque basse provoca un restringimento della sezione di passaggio
dell’acqua con conseguente aumento della velocità relativa del fluido. Per il teorema di Bernoulli, si
avrà una depressione e quindi una diminuzione della spinta idrostatica con conseguente aumento
dell’immersione isocarenica ovvero un abbassamento dello scafo che quindi si avvicina al fondo. Si
produce cioè una riduzione della spinta di galleggiamento indotta da variazioni del flusso
idrodinamico.
Sullo scafo agiscono forze analoghe a quelle della portanza L degli aeromobili, salvo che l'area di
bassa pressione qui è posta sotto lo scafo. Lo squat può portare a incagli imprevisti e a difficoltà di
manovra. L’aumento dell’immersione e la conseguente diminuzione della UKC (Under Keel
Clearance), meglio nota come clearance è fonte di notevole apprensione per il comando di bordo.
Esiste una formula empirica per il calcolo dello squat:
2
 1  

Squat   Cb  S 2  3 V 2,08

 30  
dove:
V = velocità della nave
Cb = Coefficiente di finezza totale (Block Coefficient)
A
S
S2 = rapporto d’area dato da S 2 
con S  s per valori da 0.10 a 0.30
Ac
1 S
Ac = area della sezione maestra immersa
As = area della sezione del canale pari a As  h  W con h = profondità e W = ampiezza del canale
In prima approssimazione si può ritenere che l’effetto squat risulta proporzionale al quadrato
della velocità a meno di una costante che dipende dalle dimensioni del canale e dalla profondità.
Infatti la differenza di immersione i provocata dallo squat può ottenersi dalla semplice relazione
Se la larghezza del canale è assai limitata al denominatore viene talvolta considerato il
numero 50 al posto del 100.
L’esperienza mostra che dimezzando la velocità l’effetto squat si riduce di un fattore 4.
Le acque sono considerate profonde se il rapporto profondità H/pescaggio T risulta
maggiore uguale a 4:
H
H
H
 4 mediamente basse se 1,5 
 4 e basse se 1,2 
 1,5
T
T
T
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A. Vega – Manovra navale
La velocità della nave ha evidentemente la sua importanza, come mostrato nelle due figure
soprastanti, dove la nave procede a 7 nodi e poi a 12 nodi nel medesimo tratto di mare. Nella
seconda immagine è evidente l’effetto squat.
Evidentemente il comportamento della nave è diverso asseconda dell’ampiezza e profondità
del canale nel quale si naviga, infatti una nave che procede in un canale limitato in larghezza e
profondità è soggetta ad azioni che nascono per la modifica del galleggiamento e della conseguente
alterazione della distribuzione delle pressioni idrodinamiche sullo scafo rispetto alla situazione di
mare aperto.
Sempre per il teorema di Bernoulli nascerà una depressione: precisamente un abbassamento
del livello dell’acqua in misura maggiore verso il centro nave. Se la nave procede in un canale in
prossimità di una sponda essa tende ad avvicinarsi alla sponda come se venisse attratta ( bank
suction ), la prua è invece soggetta a repulsione dalla sponda più vicina (bank cushion ) mentre la
poppa ad attrazione e pertanto la nave tenderà a traversarsi. Solo se la nave procederà lungo l’asse
del canale (senza dissimmetrie) le suddette azioni ed i conseguenti effetti saranno nulli.
Se, come sopra, le sponde del canale sono lontane, l’effetto squat si limita alla variazione
dell’immersione. Se invece, come sotto, il canale è ristretto e non si naviga sull’asse mediano del
canale allora si hanno anche le variazioni nell’assetto laterale della nave per effetto della vicinanza
delle sponde.
Tale fenomeno noto come bank suction è provocato dal diverso livello dell’acqua del canale
che risulta più alta al centro del canale e più bassa tra la murata della nave e la sponda del canale a
causa dell’aumento della resistenza che su questo lato l’acqua deve vincere per scorrere, oltre che
dalla riflessione delle onde provocate dall’avanzamento della nave stessa. In questo caso il rischio,
per come già detto, è la nave finisca per traversarsi nel canale stesso.
Nei canali stretti possono incontrarsi forti correnti di marea nel qual caso la nave governa meglio
con corrente di prora che non con corrente di poppa o durante la stanca. Altrettanto accade nella
navigazione fluviale quando si risale un fiume e quando, invece, lo si discende.
11.8 – Interazioni tra navi.
Quando due navi transitano in senso opposto in un canale si generano delle interazioni fra esse che
se non controllate opportunamente possono far traversare una di esse o entrambe. Occorrerà quindi
agire opportunamente sul timone e/o sulla macchina o su altri mezzi di governo.
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A. Vega – Manovra navale
In accordo con le regole della COL.REG le due navi sono chiamate ad accostare ciascuna sulla
propria dritta, ciò comporta che le due prore tenderanno ad allontanarsi l’una dall’altra
respingendosi. Tale movimento va corretto portando il timone a sinistra.
Successivamente, quando le pressioni si bilanciano sarà necessario mettere il timone a dritta per
bilanciare l’effetto bank cushion che si manifesterà in maniera decisa.
Quando le due navi saranno affiancate si registrerà una forte attrazione tra loro a causa della
differenza di pressione idrodinamica esistente tra le murate della nave che guardano alle sponde e
le murate che si affiancano.
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A. Vega – Manovra navale
Quando le navi saranno libere l’una dall’altra le poppe torneranno a respingersi e quindi il ritorno
lungo l’asse mediano del canale sarà facilitato.
Situazioni simili di attrazione/repulsione si registrano anche quando in porto una nave transita
vicino ad una nave ormeggiata in banchina.
In acque illimitate intorno alla nave si manifesta un campo di pressioni che presenta un aumento di
pressione nella zona prodiera e nella zona poppiera ed una diminuzione in quella centrale fatto che
provoca una interazione con il campo di pressione di un’altra nave che le passa vicino e di cui
bisognerà tenere conto con attenzione specialmente nell’avvicinamento e nell’allontanamento
durante un sorpasso quando si avvicinano le estremità opposte delle due navi.
Evidentemente in questo caso l’interazione dipende dalla grandezza e forma delle navi dalla loro
velocità e dalla profondità dell’acqua.
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